Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie

Die Abteilung entwickelt genaue analytische und numerische Modelle von Gravitationswellenquellen und nutzt sie zur Datenanalyse. Dadurch verbessern wir unsere Fähigkeit, einzigartige astrophysikalische und kosmologische Informationen aus den beobachteten Signalen zu extrahieren und testen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie.

Am 14. September 2015 wurden von LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) das erste Mal Gravitationswellen von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern nachgewiesen und so das Zeitalter der Gravitationswellenastronomie eröffnet. Seitdem wurden mehrere Binärsysteme aus verschmelzenden Schwarzen Löchern beobachtet, und im August 2017 wurde eine Gravitationswelle von zwei verschmelzenden Neutronensternen entdeckt. Ebenfalls im August 2017 kam das europäische Gravitationswellenobservatorium Virgo zum Netzwerk der Detektoren hinzu und verbesserte so die Lokalisierung der Quellen am Himmel. Forschende der Abteilung entwickeln hochgenaue Modelle von Gravitationswellen, die Schwarze Löcher erzeugen, wenn sie sich umkreisen und schließlich miteinander verschmelzen. Diese Wellenformmodelle werden implementiert und werden in der fortlaufenden Suche nach Binärverschmelzungen in den Daten von LIGO und Virgo benutzt. Diese Nachweise stellen nicht nur selbst eine bedeutende wissenschaftliche Entdeckung dar, sondern haben auch einen großen Einfluss auf Astrophysik, Grundlagenphysik und Kosmologie und werden unser Verständnis von Gravitationsphänomenen bereichern und ein revolutionäres neues Fenster in unser Universum eröffnen.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Raumzeit eine dynamische und elastische Größe, die sowohl die Verteilung der Masse und Energie beeinflusst, die sie enthält, und wiederum von diesen beeinflusst wird. Eine beschleunigte Bewegung von Masse und Energie kann „Kräuselungen“ in der Raumzeit oder: Gravitationswellen erzeugen, die sich in der Raumzeit mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese kleinen Wellen enthalten einzigartige Informationen über die Quelle, die sie erzeugt haben.

Binärsysteme aus Schwarzen Löchern und/oder Neutronensternen, die einander umkreisen und durch die Abstrahlung von Gravitationswellen Energie verlieren, sind die vielversprechendsten und spannendsten Quellen für Gravitationswellen-Detektoren. Um jedoch die Wahrscheinlichkeit der Identifikation von Gravitationswellen in den Detektordaten wesentlich zu erhöhen, erfordert eine Suche nach diesen Quellen detaillierte Kenntnis der erwarteten Signale.

Die Forschung der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ zielt darauf ab, unsere Fähigkeit zu verbessern, einzigartige astrophysikalische und kosmologische Informationen aus den beobachteten Wellenformen zu erhalten und die fundamentalen Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen.

Die Wissenschaftler*innen dieser Abteilung befassen sich mit mehreren Aspekten der Gravitationswellen, die von Binärsystemen ausgestrahlt werden, nämlich mit der

(i) theoretischen Dynamik der Gravitation und Strahlung (Post-Newtonsche Theorie, Rückwirkung der Gravitation auf sich selbst, Störungstheorie und effektive Ein-Teilchen-Näherung),
(ii) numerischen Simulation der Gravitationswellen-Quellen,
(iii) Modellierung der Quellen und Analyse der Daten der Gravitationswellen-Detektoren
(iv) Astrophysik von Schwarzen Löchern und Neutronensternen.

Die meisten Wissenschaftler*innen der Abteilung sind Mitglieder der LIGO Scientific Collaboration (LSC). Aber die Abteilung unterstützt auch theoretische Studien zu Gravitationswellen-Quellen und die Entwicklung von Techniken zur Analyse der Ankunftzeiten von Pulsaren in der European Pulsar Timing Array collaboration und LISA , einem geplanten Gravitationswellen-Detektor im All. Wissenschaftler:innen der Abteilung sind an der Entwicklung der wissenschaftlichen Grundlagen für die Gravitationswellendetektoren der dritten Generation beteiligt, und mehrere von ihnen sind Mitglieder der Einstein Telescope Scientific Collaboration.

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